JP5790596B2 - フォトダイオードアレイ検出器 - Google Patents

Description

本発明は、液体クロマトグラフの分析カラムで分離されたサンプルを検出する検出器などに使用されるフォトダイオードアレイ検出器に関するものである。

例えば液体クロマトグラフにおいて、分析カラムで分離された試料成分を検出するための検出器としては、分析カラムからの溶出液が流れるセルに光を照射し、セルを透過した光を分光器により分光し、分光された光をフォトダイオードアレイ（ＰＤＡ）で検出するフォトダイオードアレイ検出器がよく用いられている（特許文献１参照。）。

フォトダイオードアレイ検出器の構成の一例を図５に示す。
このフォトダイオードアレイ検出器は、ＰＤＡ検出部３４、演算制御装置４２及び表示部４４により構成されている。演算制御装置４２はＰＤＡ検出部３４に接続されており、ＰＤＡ検出部３４の測定動作の開始や終了などの動作管理、ＰＤＡ検出部３４で得られた測定データの取り込みなどを行なうものである。演算制御装置４２はパーソナルコンピュータ（ＰＣ）などで構成され、表示部４４はＰＣモニタなどで構成される。

ＰＤＡ検出部３４は、光源４からの光をフォトダイオードアレイ（ＰＤＡ）１３に導くための光学系と、ＰＤＡ１３の動作制御とＰＤＡ１３からの信号処理を行なう演算制御系により構成されている。光学系として集光レンズ６、スリット１０及び分光器１２が設けられている。集光レンズ６とスリット１０の間にセル８が設けられている。演算制御系としてＡ／Ｄ変換器１６、演算制御部３６及び記憶部３８が設けられている。

光源４からの光は集光レンズ６によってセル８に照射され、セル８を透過した光がスリット１０を通って分光器１２で分光され、分光された光がＰＤＡ１３に入射する。ＰＤＡ１３には複数の受光素子が分光器１２の分光方向に沿って設けられている。ＰＤＡ１３は、例えば１０００個の受光素子がアレイ状に配置されており、２００ｎｍの波長の光が１番目の受光素子に入射し、８００ｎｍの波長の光が１０００番目の受光素子に入射するように配置されており、２００ｎｍ〜８００ｎｍの光を検出することができる。

このフォトダイオードアレイ検出器では、セル８において試料を含まないブランク液と試料溶液を別々のタイミングで流通させ、ブランク液を透過する光量Ｉｒと試料溶液を透過する光量Ｉｓを測定し、ランベルト・ベールの法則に基づいて−ｌｏｇ（Ｉｓ／Ｉｒ）により試料溶液の吸光度を求める。光量ＩｒとＩｓはそれぞれＰＤＡ１３の各受光素子に一定時間内に入射した光によって蓄積される電荷量から得られる。ＰＤＡ１３は一定時間ごとの蓄積電荷量に応じた信号を出力する。ＰＤＡ１３から出力された信号はＡ／Ｄ変換器１６を介して演算制御部３６に取り込まれ、吸光度等の演算が行なわれる。

ＰＤＡ１３の受光素子が電荷を蓄積する時間（以下、蓄積時間）を最適な時間に調整することができるように、演算制御部３６にＰＤＡ１３の蓄積時間の調整動作を実行するための蓄積時間調整手段４０が設けられている。蓄積時間の調整値は記憶部３８に記憶され、ＰＤＡ１３は調整された蓄積時間の間に蓄積された電荷量に応じた信号を出力する。

光源４から発せられる光のスペクトルは図４に示されているように波長によって強度が異なるため、ＰＤＡ１３の各受光素子で同じ蓄積時間内に得られる入射光量は異なる。スペクトルの小さい波長が入射する受光素子では入射光量が小さいために得られる信号が小さくなり、回路ノイズやリセットノイズ等のノイズの影響が大きくなる。ノイズの影響を小さくして正確な吸光度を計算するためには、蓄積時間をできるだけ長く設定して得られる信号を大きくすることが望ましい。

しかし、受光素子には蓄積可能な電荷量に限界があり、一定以上の光量を受光すると蓄積電荷が飽和するため、電荷の飽和した受光素子では正しい入射光量が得られない。そのため、受光素子の蓄積時間としては最もスペクトルの大きい波長の光が入射する受光素子が飽和しない限度において可能な限り長い蓄積時間を設定することが望ましい。

特開平８−１９３９４５号公報

フォトダイオードアレイ検出器では、フォトダイオードアレイの蓄積時間を最適なものに自動的に調整する機能を、上記の蓄積時間調整手段４０のような蓄積時間調整ソフトウェアの導入により実現することが可能である。かかる蓄積時間調整ソフトウェアを使用して正しい状態で調整を実行すれば、最適な蓄積時間を得ることができる。蓄積時間の調整は、実際の吸光度測定と同様に、光源からセルに光を照射し、セルを透過した光の分光光をフォトダイオードアレイで検出し、最もスペクトルの大きい波長の光が入射する受光素子の蓄積電荷量が一定の大きさ（例えば飽和電荷量の９０％）に達するまでの時間を計測することにより行なう。

しかし、例えば気泡が多く含まれる溶液がセルを流れる状態で蓄積時間の調整を行なってしまうと、通常よりもセルを透過する光が小さくなってフォトダイオードアレイに入射する光量が小さくなり、本来の最適な蓄積時間よりも調整された蓄積時間が長くなってしまう。このように蓄積時間が調整された状態で気泡を含まない試料を測定すると、蓄積時間の調整時よりもフォトダイオードアレイへの入射光量が大きくなってしまい、フォトダイオードアレイの受光素子が飽和するという問題が生じる。

装置の製造段階では管理された環境で蓄積時間の調整を実行するため、このような問題が生じることはないが、出荷された装置を再調整する場合に調整用の溶液に気泡が入ることによってこのような調整不良がしばしば起こっていた。しかし、フォトダイオードアレイ検出器にはこのような蓄積時間の調整不良の発生を検知する機能をもっていないため、ユーザが調整不良の発生を知ることができずに調整不良のままの状態で試料の測定を実行してしまうという問題が起こっていた。

そこで、本発明は、フォトダイオードアレイの蓄積時間の調整不良を検知することができるようにすることを目的とするものである。

本発明にかかるフォトダイオードアレイ検出器は、光源、試料セル、分光器及びフォトダイオードアレイを備え、光源からの光を試料セルに照射し、その透過光を分光器により分光してフォトダイオードアレイに導いて検出するフォトダイオード検出部と、フォトダイオードアレイに設けられた各受光素子が光を受光することにより蓄積された電荷を予め設定された蓄積時間ごとに信号として取り込んで試料セル内の試料の吸光度を求める機能を有する演算処理部と、フォトダイオードアレイの受光素子の電荷蓄積時間を調整する蓄積時間調整手段と、フォトダイオードアレイの受光素子の電荷蓄積時間の基準値である蓄積基準時間を記憶する蓄積基準時間記憶部と、調整された後の電荷蓄積時間と蓄積基準時間とを比較し、その差が予め設定されている許容範囲内にあるか否かを判定する蓄積時間判定手段と、を備えたものである。
ここで、「蓄積時間を調整する」とは、フォトダイオードアレイの蓄積時間を、フォトダイオードアレイが光源からの光を受光することにより得られるスペクトルのうち、最大のスペクトル強度を有する波長の光を受光する受光素子の蓄積電荷量が予め設定された電荷量（例えば、飽和電荷量の９０％など）となるように設定することを意味する。

本発明のフォトダイオードアレイ検出器では、電荷蓄積時間を調整する蓄積時間調整手段、フォトダイオードアレイの受光素子の電荷蓄積時間の基準値である蓄積基準時間を記憶する蓄積基準時間記憶部及び調整された後の電荷蓄積時間と蓄積基準時間とを比較し、その差が予め設定されている許容範囲内にあるか否かを判定する蓄積時間判定手段を備えているので、調整された後の電荷蓄積時間が蓄積基準時間と大きく異なっているか否かを自動的に判定することにより、電荷蓄積時間の調整不良を検知することができる。

フォトダイオードアレイ検出器の一実施例を示す概略構成図である。 同実施例のフォトダイオードアレイ検出器におけるフォトダイオードアレイの蓄積時間の調整手順を示すフローチャートである。 同実施例のフォトダイオードアレイ検出器における吸光度測定動作を示すフローチャートである。 同実施例のフォトダイオードアレイ検出器で得られるスペクトル曲線の一例である。 従来のフォトダイオードアレイ検出器の一例を示す概略構成図である。

本発明のフォトダイオードアレイ検出器において、蓄積時間判定手段により調整された後の電荷蓄積時間と蓄積基準時間との差が許容範囲を超えていると判定されたときに警告を発する調整不良警告部をさらに備えていることが好ましい。そうすれば、ユーザは蓄積時間の調整不良の発生を容易に認識することができるようになり、蓄積時間の調整不良が発生した状態で試料の測定が実行されることを防止することができる。

蓄積時間と蓄積基準時間との差の許容範囲としては、蓄積基準時間に対する相対的な割合により設定されたものが挙げられる。

また、劣化により発光光量の低下した光源を使用して蓄積時間の調整を行なった場合、劣化していない光源を使用して調整された蓄積時間よりも長い蓄積時間が最適蓄積時間として設定されてしまう。このため、光源を交換して光源の発光光量が回復した後はフォトダイオードアレイの蓄積時間の再調整を行なう必要があるが、光源を交換した後の調整をし忘れてしまうことがあった。蓄積時間の再調整を実行せずに同じ最適蓄積時間を使用して試料の測定を実行するとフォトダイオードアレイが飽和し、正確な測定データを得ることができない。これに対し、ユーザがフォトダイオードアレイの蓄積時間が適当でない状態で試料の測定が実行されたことを認識することはできないという問題があった。

上記の問題を解決するため、本発明のフォトダイオードアレイ検出器の好ましい実施の態様では、フォトダイオードアレイの受光素子の蓄積電荷量の飽和の基準となる飽和基準電荷を記憶する飽和基準電荷記憶部と、フォトダイオードアレイから出力される検出信号に基づき、フォトダイオードアレイのいずれかの受光素子に蓄積された電荷量が飽和基準電荷を超えたか否かを判定する光量飽和判定手段と、をさらに備えている。そうすれば、フォトダイオードアレイの飽和を装置で自動的に検知することができる。

上記実施の態様では、光量飽和判定手段によりフォトダイオードアレイのいずれかの受光素子に蓄積された電荷量が飽和基準電荷を超えたと判定されたときに警告を発する光量飽和警告部をさらに備えていることが好ましい。そうすれば、フォトダイオードアレイが飽和したことをユーザが容易に認識することができるようになり、これによってユーザがフォトダイオードアレイの蓄積時間の設定値が適当でないことを迅速に認識することができる。

以下、フォトダイオードアレイ検出器の一実施例について図面を用いて説明する。まず、図１を用いて一実施例のフォトダイオードアレイ検出器の構成を説明する。
このフォトダイオードアレイ検出器は、ＰＤＡ検出部２、演算制御装置３０及び表示部３２により構成されている。演算制御装置３０はＰＤＡ検出部２に接続されており、ＰＤＡ検出部２の検出動作の開始や終了などの動作管理、ＰＤＡ検出部２で得られた測定データの取り込みなどを行なうものである。演算制御装置３０は例えばパーソナルコンピュータ（ＰＣ）によって実現され、表示部３２はＰＣモニタによって実現される。

ＰＤＡ検出部２は、光源４からの光をフォトダイオードアレイ１３に導くための光学系と、フォトダイオードアレイ１３の動作制御とフォトダイオードアレイ１３からの信号処理を行なう演算制御系により構成されている。光学系として集光レンズ６、スリット１０及び分光器１２が設けられている。集光レンズ６とスリット１０の間にセル８が設けられている。演算制御系として演算制御部１４、Ａ／Ｄ変換器１６及び記憶部１８が設けられている。

光源４からの光は集光レンズ６によってセル８に照射され、セル８を透過した光がスリット１０を通って分光器１２で分光され、分光された光がＰＤＡ１３に入射する。ＰＤＡ１３には複数の受光素子が分光器１２の分光方向に沿って設けられている。ＰＤＡ１３は、例えば１０００個の受光素子がアレイ状に配置されており、２００ｎｍの波長の光が１番目の受光素子に入射し、８００ｎｍの波長の光が１０００番目の受光素子に入射するように配置されており、２００ｎｍ〜８００ｎｍの光を検出することができる。

このフォトダイオードアレイ検出器では、セル８において試料を含まないブランク液と試料溶液を別々のタイミングで流通させ、ブランク液を透過する光量Ｉｒと試料溶液を透過する光量Ｉｓを測定する。光量ＩｒとＩｓはそれぞれＰＤＡ１３の各受光素子に一定時間内に入射した光によって蓄積される電荷量から得られる。ＰＤＡ１３の各受光素子に蓄積された信号は一定時間ごとにＡ／Ｄ変換器１６を介して演算処理部としての演算制御部１４に取り込まれる。演算制御部１４は取り込んだ信号を用い、ランベルト・ベールの法則に基づいて−ｌｏｇ（Ｉｓ／Ｉｒ）により試料溶液の吸光度を求める。

演算制御部１４はさらに蓄積時間調整手段２０、蓄積時間判定手段２２及び光量飽和判定手段２４を備えている。蓄積時間調整手段２０はＰＤＡ１３の蓄積時間を調整するものである。蓄積時間調整手段２０は、ユーザによって演算制御装置３０に蓄積時間の調整を実行するよう入力がなされたときに、演算制御装置３０からの信号に基づいてＰＤＡ１３の蓄積時間の調整を実行するように構成されている。蓄積時間判定手段２２は蓄積時間の調整動作で調整された蓄積時間が適当か否かを判定するように構成されたものである。光量飽和判定手段２４はＰＤＡ１３から取り込んだ信号に基づいてＰＤＡ１３が飽和しているか否かを判定するように構成されたものである。

蓄積時間判定手段２２は、蓄積時間が適当か否かの判定を予め設定された蓄積基準時間との比較に基づいて行なうように構成されている。蓄積基準時間は記憶部１８に設けられた蓄積基準時間記憶部２６に格納されており、蓄積時間判定手段２２は調整された蓄積時間と蓄積基準時間記憶部２６から取り込んだ蓄積基準時間と比較して許容範囲内にあるか否かで調整後の蓄積時間が適当か否かを判定する。蓄積基準時間としては、このフォトダイオード検出器の出荷前の段階で調整されたＰＤＡ１３の蓄積時間の初期値が挙げられる。許容範囲は、例えば蓄積基準時間の２倍以内など蓄積基準時間に対する相対的な大きさとして設定されたものである。蓄積時間判定手段２２は、調整後の蓄積時間が許容範囲内にないときはそれに応じた信号を演算制御装置３０に出力し、演算制御装置３０は表示部３２に蓄積時間の調整不良の可能性がある旨の警告を表示する。演算制御装置３０及び表示部３２は調整不良警告部を構成している。

光量飽和判定手段２４は、ＰＤＡ１３からの出力信号（蓄積電荷量）が記憶部１８の飽和基準電荷記憶部２８に格納されている飽和基準電荷量を超えているか否かに基づいてＰＤＡ１３が飽和したか否かを判定するように構成されている。飽和基準電荷量は当該ＰＤＡ検出器の出荷前の段階で予め設定されたものであり、ＰＤＡ１３の受光素子の飽和電荷量に対する割合（例えば９０％など）として設定されている。光量飽和判定手段２４は、ＰＤＡ１３から取り込んだ信号が飽和基準電荷量を超えている場合にはそれに応じた信号を演算制御装置３０に出力し、演算制御装置３０は表示部３２にＰＤＡ１３が飽和した旨を表示する。

この実施例では、演算制御部１４はＰＤＡ検出部２の専用コンピュータ、例えばマイクロコンピュータにより実現されるものを示している。しかし、温度制御部１４の全部又は一部、例えば蓄積時間判定手段２２を演算制御装置３０で実現するようにしてもよい。

同実施例におけるＰＤＡ１３の蓄積時間の調整動作について図２のフローチャートを図１とともに用いて説明する。
ユーザが蓄積時間の調整の実行を演算処理装置３０に入力すると、蓄積時間の調整を実行する信号が演算処理装置３０から演算制御部１４に与えられ、蓄積時間調整手段２０により蓄積時間の調整が実行される。蓄積時間の調整では、光源４が点灯するとともにセル８にブランク液が流れ、セル８を透過した光の光量がＰＤＡ１３により検出される。ＰＤＡ１３の受光素子のうちもっともスペクトルの大きい波長の光が入射する受光素子の蓄積電荷量が一定量（例えば飽和電荷量の９０％）に達するまでの時間が計測され、その時間が蓄積時間として調整される。

上記の蓄積時間調整動作が終了した後、蓄積時間判定手段２２が調整された蓄積時間を蓄積基準時間と比較し、蓄積時間が許容範囲内にある場合はその調整結果を記憶部１８に登録して蓄積時間の調整が終了する。蓄積時間が許容範囲内にない場合はそれに応じた信号を演算制御装置３０に出力し、演算制御装置３０が表示部３２を介してユーザに蓄積時間の調整不良の疑いがある旨の警告を表示する。ユーザが蓄積時間の再調整を実行することを選択した場合には上記の蓄積時間調整動作が再実行され、蓄積時間の再調整を実行しないことを選択した場合には調整結果を記憶部１８に登録して終了する。

次に、同実施例における吸光度測定の動作について図３のフローチャートを図１とともに用いて説明する。
まず、光源４が点灯している状態でセル８に試料を含まないブランク液を流し、セル８を透過した光の光量をＰＤＡ１３により検出する。演算制御部１４はＰＤＡ１３から予め設定された蓄積時間ごとに各受光素子に蓄積された電荷量を信号としてＡ／Ｄ変換器１６を介して取り込む。光量飽和判定手段２４は取り込んだ電荷量と飽和基準電荷量とを比較し、取り込んだ電荷量が飽和基準電荷量を超えている場合にはそれに応じた旨の信号を演算制御装置３０に出力し、演算制御装置３０は表示部３２を介して光量飽和によるエラー表示を行ない、その測定データを演算制御装置３０内のデータ記憶部に記録する。

ＰＤＡ１３が飽和しなかったときは、セル８に試料溶液（サンプル）を流した状態でセル８を透過した光の光量をＰＤＡ１３により検出し、ブランク液の場合と同様にＰＤＡ１３が飽和したか否かを光量飽和判定手段２４が判定し、ＰＤＡ１３が飽和した場合にはそれに応じた旨の信号を演算制御装置３０に出力し、演算制御装置３０は表示部３２を介して光量飽和によるエラー表示を行ない、その測定データを演算制御装置３０内のデータ記憶部に記録する。ＰＤＡ１３が飽和しなかったときは、演算制御部１４がその測定データに基づいて吸光度を算出し、その測定データを演算制御装置３０内のデータ記憶部に記録する。サンプルの測定動作をユーザが設定した分析時間が経過するまで連続的に実行する。

２ ＰＤＡ検出部
４ 光源
６ 集光レンズ
８ セル
１０ スリット
１２ 分光素子
１３ ＰＤＡ（フォトダイオードアレイ）
１４ 演算制御部
１６ Ａ／Ｄ変換器
１８ 記憶部
２０ 蓄積時間調整手段
２２ 蓄積時間判定手段
２４ 光量飽和判定手段
２６ 蓄積時間記憶部
２８ 飽和基準電荷記憶部
３０ 演算制御装置
３２ 表示部

Claims (5)

1. 光源、試料セル、分光器及びフォトダイオードアレイを備え、前記光源からの光を前記試料セルに照射し、その透過光を前記分光器により分光して前記フォトダイオードアレイに導いて検出するフォトダイオード検出部と、
   前記フォトダイオードアレイに設けられた各受光素子が光を受光することにより蓄積された電荷を予め設定された蓄積時間ごとに信号として取り込んで前記試料セル内の試料の吸光度を求める機能を有する演算処理部と、
   前記フォトダイオードアレイの前記受光素子の電荷蓄積時間を調整する蓄積時間調整手段と、
   前記フォトダイオードアレイの前記受光素子の電荷蓄積時間の基準値である蓄積基準時間を記憶する蓄積基準時間記憶部と、
   調整された後の電荷蓄積時間と前記蓄積基準時間とを比較し、その差が予め設定されている許容範囲内にあるか否かを判定する蓄積時間判定手段と、を備えたフォトダイオードアレイ検出器。
2. 前記蓄積時間判定手段により調整された後の電荷蓄積時間と前記蓄積基準時間との差が前記許容範囲を超えていると判定されたときに警告を発する調整不良警告部をさらに備えた請求項１に記載のフォトダイオードアレイ検出器。
3. 前記許容範囲は前記蓄積基準時間に対する相対的な割合により設定されたものである請求項１又は２に記載のフォトダイオードアレイ検出器。
4. 前記フォトダイオードアレイの前記受光素子の蓄積電荷量の飽和の基準となる飽和基準電荷を記憶する飽和基準電荷記憶部と、
   前記フォトダイオードアレイから出力される検出信号に基づき、前記フォトダイオードアレイのいずれかの前記受光素子に蓄積された電荷量が前記飽和基準電荷を超えたか否かを判定する光量飽和判定手段と、をさらに備えた請求項１から３のいずれか一項に記載のフォトダイオードアレイ検出器。
5. 前記光量飽和判定手段により前記フォトダイオードアレイのいずれかの前記受光素子に蓄積された電荷量が前記飽和基準電荷を超えたと判定されたときに警告を発する光量飽和警告部をさらに備えた請求項４に記載のフォトダイオードアレイ検出器。

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